9b, Wärmebehandlung [Werkstofftechnik mit Prof. Sadlowsky]

Wärmebehandlung von Werkstoffen

Einführung in die Wärmebehandlung

• Der Vortrag behandelt das Thema Wärmebehandlung, wobei der Referent zu Beginn einige Anpassungen vornimmt und über den Bären spricht.

• Die Voraussetzung für diese Vorlesung ist das Wissen über Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, welches in der vorherigen Sitzung zur Stahlherstellung vermittelt wurde.

Stahlherstellung und -verarbeitung

• Es wird auf verschiedene Verfahren zur Stahlherstellung eingegangen, insbesondere das Sauerstoff-Platz-Verfahren zur Reduzierung des Kohlenstoffgehalts im Roheisen.

• Der Referent erklärt die Herstellung von Platten durch Stranggussverfahren und deren Weiterverarbeitung zu dünnen Blechen.

Bedeutung der Wärmebehandlung

• Die Wärmebehandlung beeinflusst die Eigenschaften von Werkstoffen, um sie optimal für ihre spätere Funktion zu gestalten.

• Ein Beispiel sind Klingen, die sowohl hart als auch flexibel sein müssen, um Verschleiß zu minimieren und gleichzeitig eine gewisse Elastizität zu bieten.

Arten der Wärmebehandlung

• Es gibt verschiedene Arten der Wärmebehandlung; drei wesentliche Verfahren werden vorgestellt: Glühen, Härten und Vergüten.

• Das Glühen verändert die Werkstoffeigenschaften im gesamten Querschnitt eines Bauteils, um nachteilige Eigenschaften zu beseitigen.

Detaillierte Betrachtung der Verfahren

• Beim Härten wird die Härte und Verschleißbeständigkeit erhöht. Dies kann sowohl im gesamten Querschnitt als auch an Randschichten geschehen.

• Das Vergüten zielt darauf ab, die Festigkeit insbesondere an der Streckgrenze zu erhöhen und gleichzeitig eine verbesserte Zähigkeit zu erreichen.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

• Der Referent plant eine kurze Erklärung des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, welches wichtig für das Verständnis von Legierungen ist.

• Es wird betont, dass dieses Diagramm komplex ist und Kenntnisse über Schmelze und Kristallstrukturen erfordert.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm und Wärmebehandlung

Alpha-Milchkristalle und ihre Eigenschaften

• Die Diskussion beginnt mit der Erklärung von Alpha-Milchkristallen und deren Rolle im Eisen-Kohlenstoff-System. Es wird erwähnt, dass Kohlenstoff, wenn er nicht mehr im Stall gelöst werden kann, ausgelagert wird und sich mit Eisen verbindet.

• Der Begriff "intermediäre Phase" wird eingeführt, wobei erklärt wird, dass diese Phase zwischen verschiedenen Zuständen liegt. Zementit ist ein Fachausdruck für diese Verbindung.

Temperaturfenster der Wärmebehandlung

• Die Wärmebehandlung findet in einem Temperaturfenster von 450 bis 650 Grad Celsius statt. Diese Temperaturen sind entscheidend für die Stabilität der Alpha-Milchkristalle.

• Es wird betont, dass die Abkühlung langsam erfolgen muss, um technische Anforderungen zu erfüllen. Schnelles Abkühlen könnte negative Auswirkungen auf das Material haben.

Veränderungen bei hohen Temperaturen

• Bei Temperaturen über 900 Grad Celsius können sich Alpha-Milchkristalle in Gamma-Milchkristalle umwandeln. Dies geschieht jedoch nicht während des beschriebenen Verfahrens.

• Ein Beispiel aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt verschiedene Kühlverfahren und deren Einfluss auf die Materialeigenschaften.

Spannungsarm Glühen

• Das Thema "Spannungsarm Glühen" wird angesprochen, welches verschiedene Methoden umfasst. In dieser Vorlesung konzentriert man sich auf das Spannungsarmglühen als eine Methode zur Spannungsreduktion.

• Wichtige Parameter wie Abkühlgeschwindigkeiten werden definiert; es gibt keine signifikante Änderung der Kristallstruktur während des Prozesses.

Entstehung von inneren Spannungen

• Innere Spannungen entstehen ohne äußere Kräfte im Bauteil selbst. Diese Spannungen können durch Versetzungen verursacht werden, die Unregelmäßigkeiten im Werkstoff darstellen.

• Verschiedene Arten von Fehlern (0D bis 3D), wie Milchkristalle oder Fremdatome, werden erläutert und deren Einfluss auf die Materialeigenschaften diskutiert.

Verhalten von Versetzungen bei höheren Temperaturen

• Versetzungen sind Träger von Spannungsfeldern innerhalb eines Kristalls. Bei höheren Temperaturen können Atome ihre Plätze tauschen und somit Spannungen abbauen.

• Wenn zwei Versetzungen sich treffen und gegenseitig auslöschen, führt dies zu einer Reduktion der inneren Spannung im Material.

Schweißen und Eigenspannungen

Einführung in das Schweißen

• Bei hohen Temperaturen können Eigenspannungen entstehen, beispielsweise beim Schweißen. Diese Spannungen sind wichtig zu verstehen, um die Auswirkungen auf das Material zu visualisieren.

Verfahrensanweisungen für das Schweißen

• Es gibt spezifische Verfahrensanweisungen (ähnlich einem Kochrezept), die festlegen, wie beim Lichtbogenschweißen vorzugehen ist, einschließlich der Stromstärke und der verwendeten Elektroden.

Werkstoffzonen im Schweißprozess

• Der Grundwerkstoff (GW) und das Schweißgut (SG) sind entscheidend. Die Wärmebeeinflussungszone spielt eine wichtige Rolle bei der Veränderung des Materials während des Schweißens.

Temperaturveränderungen und deren Auswirkungen

• Während des Schweißens können Temperaturen über 1000 Grad Celsius erreicht werden. Dies führt dazu, dass sich der Werkstoff ausdehnt und nach dem Abkühlen wieder zusammenzieht, was Spannungen erzeugen kann.

Messung von Eigenspannungen

• Eigenspannungen in einer Schweißnaht können gemessen werden. Das Fraunhofer-Institut hat Verfahren entwickelt, um diese Spannungen zu bestimmen.

Verwendung von Dehnungsmessstreifen

• Dehnungsmessstreifen werden verwendet, um Spannungsänderungen in einer Schweißnaht zu messen. Sie reagieren auf Längenänderungen durch Spannungseinwirkungen.

Funktionsweise von Dehnungsmessstreifen

• Wenn sich die Länge eines Dehnungsmessstreifens ändert, verändert sich auch sein Widerstand. Diese Veränderungen können mit geeigneten Messgeräten erfasst werden.

Bedeutung der Elektrotechnik im Prozess

• Kenntnisse in Elektrotechnik sind notwendig für die Anwendung von Dehnungsmessstreifen zur Spannungsmessung während des Schweißprozesses.

Härteprüfungsverfahren zur Bestimmung von Spannungen

• Standard-Härteprüfverfahren wie die Vickers-Härteprüfung helfen dabei, Informationen über die entstehenden Eigenspannungen während des Schweißprozesses zu gewinnen.

Zusammenfassung der Herausforderungen beim Schweißen

• Es ist wichtig zu verstehen, wann Eigenspannungen auftreten und wie sie durch verschiedene Prüfmethoden nachgewiesen werden können.

Spannungsabbau und Wärmebehandlung in Materialien

Grundlagen des Spannungsabbaus

• Der Prozess des Backens eines Ofens erfolgt bei Temperaturen zwischen 450 und 650 Grad, ohne dass sich das Gefüge ändert. Dies ermöglicht einen langsamen Spannungsabbau, wobei Atome ihre Plätze tauschen können.

• Es wird diskutiert, wie Eigen- oder Restspannungen gemessen werden können, insbesondere in Bezug auf Bauteile und deren Wärmebehandlung.

Anwendung von Wärmebehandlungen

• Ein Beispiel wird gegeben: Eine glaskugelartige Struktur könnte durch verschiedene Prozesse (z.B. Korrosion) Wasserstoff entwickeln, was zu Schäden führen kann.

• Hohe Härte in bestimmten Bereichen kann durch Wasserstoffbildung verstärkt werden, was Risse verursachen kann. Dies ist besonders relevant für die Wärmebeeinflussungszone.

Herausforderungen bei der Nachbearbeitung

• Die Idee einer nachträglichen Wärmebehandlung wird angesprochen; es gibt Überlegungen zur Verwendung von Heizkissen zur Reduzierung der Härte.

• Es wird ein Vergleich mit Butter gezogen: Bei Erwärmung verlieren Materialien an Festigkeit, was auch für große Strukturen wie Glaskugeln gilt.

Risiken und Lösungen

• Wenn die Temperatur zu hoch ist, kann eine plastische Verformung auftreten. Das Beispiel zeigt die Gefahr einer unzureichenden Kühlung nach dem Spannungsabbau.

• Eine mögliche Lösung besteht darin, zusätzliche Schweißnähte anzubringen, um lokale Wärmeeinträge zu erzeugen und so den Spannungsabbau zu unterstützen.

Fazit zur Behandlung von Werkstoffen

• Der Vortrag hebt hervor, dass moderne Verfahren zur Spannungsarmglühung wichtig sind, um die mechanischen Eigenschaften von Stahl optimal anzupassen.

• Verschiedene Kühlverfahren werden erwähnt; das Ziel ist es, Eigenspannungen abzubauen und somit die Materialintegrität zu gewährleisten.

Spannungen im Glas und Wärmebehandlung

Entstehung von Spannungen im Glas

• Es wurde festgestellt, dass beim Abkühlen von Claire-Glas Spannungen entstehen können, die zu einem Zerspringen führen können.

• Ein persönliches Erlebnis wird geteilt, bei dem ein Glas aufgrund von Spannungen zersprang, was zeigt, wie empfindlich Materialien auf Temperaturänderungen reagieren.

Wärmebehandlung und ihre Bedeutung

• Die Diskussion über die Hot-Stone-Massage im technischen Bereich führt zur Erklärung eines Diagramms, das Temperatur und Zeit in der Wärmebehandlung darstellt.

• Es wird betont, dass eine langsame Abkühlung wichtig ist, um Spannungen abzubauen und das Gefüge des Materials in einen Gleichgewichtszustand zu bringen.

Technische Aspekte der Abkühlung

• Der Prozess der langsamen Abkühlung kann bis zu zwei Stunden dauern; es ist wichtig, mit Proben zu experimentieren.

• Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm wird erwähnt; es gibt technische Abkühlgeschwindigkeiten, die nicht unendlich langsam sein können.

Schnelle Abkühlung und deren Auswirkungen

• Eine schnelle Abkühlung nach dem Erwärmen kann ebenfalls durchgeführt werden; dies hat jedoch andere Auswirkungen auf das Material.

• Kohlenstoffatome spielen eine entscheidende Rolle während des gesamten Prozesses der Wärmebehandlung.

Anwendungen in der Praxis

• Ziel der Wärmebehandlung ist es, Härte und Verschleißbeständigkeit des Materials zu erhöhen.

• Beispiele für harte Bauteile werden genannt; insbesondere wird auf Fahrradketten eingegangen und deren Konstruktion aus Kohlenstoffstahl hingewiesen.

Mechanische Festigkeit von Ketten

• Bei Ketten aus Kohlenstoffstahl müssen entsprechende Festigkeiten aufgebaut werden, um plastische Verformungen zu vermeiden.

• Zwei Methoden zur Herstellung solcher Ketten werden angesprochen: Stanzverfahren zur Formgebung des Materials.

Stanzprozess und Wärmebehandlung von Stahl

Stanzprozess und mechanische Eigenschaften

• Der Stanzprozess wird mit einem Walzwerk verglichen, das enorme Kräfte auf die Materialien ausübt. Dies ist ein grundlegender Schritt in der Metallverarbeitung.

• Nach dem Stanzen müssen die Kanten der Teile bearbeitet werden, um scharfe Kanten zu entfernen. Diese gestanzten Flächen werden dann auf ein Transportband geleitet.

Wärmebehandlung und Temperaturkontrolle

• Die gestanzten Teile durchlaufen mehrere Öfen mit unterschiedlichen Temperaturen, bevor sie in ein Ölbad gelangen. Diese Temperaturkontrolle ist entscheidend für die Materialeigenschaften.

• Am Ende des Prozesses erfolgt eine Entgratung, bei der die Teile in einer Trommel mit Steinen behandelt werden, um unerwünschte Grate zu entfernen.

Härteprozess und mechanische Eigenschaften

• Durch Wärmebehandlung erhalten die Bauteile verbesserte mechanische Eigenschaften wie hohe Festigkeit, was zu einer Gewichtsreduktion führt.

• Der erste Schritt im Härteprozess erfolgt bei etwa 750 bis 800 Grad Celsius. Dieser Prozess ist entscheidend für die Erhöhung der Härte des Stahls.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm und Phasenwechsel

• Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm wird verwendet, um den Einfluss von Temperatur auf die Struktur des Stahls zu verstehen. Bei 780 Grad Celsius findet ein Phasenwechsel statt.

• Bei etwa 800 Grad Celsius wandelt sich alpha-Milchkristall in gamma-Milchkristall um, was eine höhere Kohlenstoffaufnahme ermöglicht und somit die Materialeigenschaften verbessert.

Mikrostruktur und deren Bedeutung

• Die Umwandlung von alpha-Milchkristallen hat Auswirkungen auf die Kohlenstoffverteilung im Gitter, was für die Festigkeit des Materials wichtig ist.

• Es wird diskutiert, wie diese Mikrostruktur grafisch dargestellt werden kann. Die Darstellung hilft dabei, das Verständnis für den Einfluss von Kohlenstoff auf das Gitter zu vertiefen.

Kristallstruktur und Kohlenstoffverhalten

Veränderungen der Kristallstruktur

• Der Prozess des Abkühlens führt dazu, dass das Kohlenstoffatom im Gitter "aufgesaugt" wird, was die ursprüngliche Struktur verändert.

• Bei langsamer Abkühlung verwandelt sich die Struktur zurück in einen Alpha-Kristall; dies wird mit einer Beziehung verglichen, in der Konflikte auftreten und man sich aus dem Weg geht.

• Schnelles Abkühlen verhindert, dass Kohlenstoffatome das Gitter verlassen können, was zu einer stabilen Struktur führt.

Bildung von Nadelstrukturen

• Die schnelle Abkühlung führt zur Bildung von nadelartigen Strukturen im Gitter, die sehr hart sind und stark vom Kohlenstoffgehalt abhängen.

• Diese Nadelstrukturen sind ein Zeichen für hohe Festigkeit und hängen auch von den Abkühlgeschwindigkeiten ab.

Eigenschaften und Festigkeit

• Die Eigenschaften des Materials zeigen eine sehr hohe Festigkeit zwischen 2000 bis 2500 Newton pro Quadratmeter, was es deutlich stärker macht als viele Baustellenmaterialien.

• Rockwell-Härteprüfungen werden notwendig, um die Härte dieser Materialien zu messen; sie liegen zwischen 60 und 63 HRC.

Herausforderungen bei der Bearbeitung

• Normale Werkzeuge wie Bandsägen versagen beim Schneiden dieses harten Materials; spezielle Trennscheiben sind erforderlich.

• Das Material hat eine extrem niedrige Bruchfestigkeit unter bestimmten Bedingungen; Tests zeigen oft nur noch Brüche ohne Widerstand.

Wärmebehandlung zur Verbesserung

• Um das Material weiter zu verbessern, ist eine Wärmebehandlung notwendig. Dies umfasst das Anlassen und anschließendes Abschrecken bei kontrollierten Temperaturen.

• Während des Anlassens kann sich der Kohlenstoff im Gitter bewegen, was zu einer Stabilisierung der Struktur führt.

Polymorphe Eigenschaften von Eisen

• Eisen zeigt polymorphe Eigenschaften: seine Form kann sich je nach Temperatur ändern.

• Durch gezielte Wärmebehandlungen kann man den Kohlenstoff im Eisen lösen oder stabilisieren, wodurch die Materialeigenschaften optimiert werden.

Härten und Vergüten von Stahl

Grundlagen des Härteprozesses

• Der Prozess des Härten umfasst das Abkühlen von Metall, um die Festigkeit zu erhöhen. Es wird empfohlen, Küchenmesser auszuprobieren, um die Elastizität zu testen.

• Das Ziel des Vergütens ist die Erhöhung der Festigkeitswerte im Vergleich zum normalisierten Zustand, während gleichzeitig die Zähigkeit verbessert wird.

Temperatur-Zeit-Diagramm

• In einem Temperatur-Zeit-Diagramm wird gezeigt, wie Werkstoffe auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden. Dies ist entscheidend für den Härteprozess.

• Werkstoffe werden auf Temperatur gebracht und anschließend abgeschreckt. Verschiedene Abschreckmittel wie Wasser oder Öl haben unterschiedliche Eigenschaften.

Abschreckmethoden

• Nach dem Abschrecken in Öl erfolgt ein weiteres Erwärmen im Ofen, gefolgt von erneutem Abschrecken in Öl. Diese Schritte sind wichtig für die Qualität der Kettenantriebe.

• Die Verwendung von Wasser als Abschreckmittel kann problematisch sein, da es verdampfen könnte und Korrosionsprobleme verursachen kann.

Kohlenstoffaufnahme im Stahl

• Im Prozess wird die Messerklinge in ein Kohlenbad getaucht. Hierbei spielt der Kohlenstoff eine wichtige Rolle für die Eigenschaften des Stahls.

• Bei hohen Temperaturen (über 700 Grad Celsius) diffundiert Kohlenstoff in den Randbereich des Werkstoffes und verändert dessen Struktur.

Polymorphe Eigenschaften von Stahl

• Der Erfolg des Vergütens hängt davon ab, dass Kohlenstoff im Werkstoff vorhanden ist. Ohne ausreichenden Kohlenstoff kann kein nennenswertes Härten erfolgen.

• Stahl hat polymorphe Eigenschaften; seine Gitterstruktur verändert sich bei unterschiedlichen Temperaturen und beeinflusst somit seine Fähigkeit zur Kohlenstoffaufnahme.

Verfahren zur Härtung von Werkstoffen

Kohlenstoff und seine Löslichkeit

• Der Referent erklärt, dass durch Temperaturveränderungen die Löslichkeit von Kohlenstoff im Gitter beeinflusst wird. Wenn Kohlenstoff aus dem Gitter entfernt wird, entstehen Spannungen und sehr harte Gefüge, bekannt als Martensit.

Vergüten und Wärmebehandlung

• Es wird erläutert, dass der Prozess des Härtens und Anlassens in der Fachsprache als Vergüten bezeichnet wird. Dies ist ein entscheidender Prozess für die Materialeigenschaften.

Werkstoff C45

• Der Referent zeigt ein Schaubild des Werkstoffs C45. Dieser hat eine spezifische chemische Zusammensetzung, die 0,45% Kohlenstoff enthält.

Zugfestigkeit und deren Einflussfaktoren

• Die Zugfestigkeit des Werkstoffes wird thematisiert. Je länger der Werkstoff angehärtet bleibt, desto niedriger ist die Festigkeit.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

• Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm zeigt sich der höchste Wert der Zugfestigkeit. Eine längere Anlasstemperatur führt zu einer Abnahme dieser Festigkeit.

Anpassung von Werkzeugen

• Der Referent betont die Möglichkeit, Materialien speziell für bestimmte Anwendungen anzupassen. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm spielt dabei eine wichtige Rolle.

Abschlussbemerkungen

• Der Vortrag endet mit einem Hinweis auf weitere Ressourcen und Dozenten im Internet sowie einer persönlichen Note über das Bestellen von Pizza nach der Vorlesung.